专题08 原电池 化学电源 、期末复习讲义

（期末复习讲义）

1.概念

原电池是把化学能转化为电能的装置。

2.构成条件

3.原电池的工作原理

(1)两种装置

如图是锌铜原电池的两种装置：

(2)工作原理(以装置Ⅱ为例)

4.原电池原理的四大应用

(1)比较金属的活动性，在原电池中，一般较活泼的金属作负极 (注意电解质溶液对电极反应的影响)。

(2)加快化学反应速率，创造多个微电池反应环境，可加快反应(腐蚀)速率。

(3)应用于金属防护。

(4)设计原电池。

①首先将氧化还原反应分成两个半反应。

②根据原电池反应的特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。

要点02 常见化学电源

1.一次电池

2.二次电池

铅酸蓄电池是最常见的二次电池，总反应：Pb+PbO₂+2H₂SO₄₄+2H₂O。

(1)放电时

负极反应式：Pb+S-2e^-===PbSO₄；

正极反应式：PbO₂+4H⁺+S+2e^-===PbSO₄+2H₂O。

放电时，当外电路上有2 mol e^-通过时，溶液中消耗H₂SO₄ 2 mol。

(2)充电时

阴极反应式：PbSO₄+2e^-===Pb+S；

阳极反应式：PbSO₄+2H₂O-2e^-===PbO₂+4H⁺+S。

①充电一段时间电解质溶液的pH减小(填“增大”“减小”或“不变”)。

②充电时电极的连接，负接负作阴极，正接正作阳极。

3.燃料电池

(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，常见的燃料除H₂外，还有CO、水煤气(CO和H₂)、烃类(如CH₄)、醇类(如CH₃OH)、醚类(如CH₃OCH₃)、氨(NH₃)、肼(H₂N—NH₂)等。如无特别提示，燃料电池反应原理类似于燃料的燃烧。

(2)燃料电池的电解质常有四种类型：酸性条件、碱性条件、固体电解质(可传导O^2-)、熔融碳酸盐，不同电解质会对总反应式、电极反应式有影响。

(3)以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。

①酸性溶液(或含质子交换膜)

正极：O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，

负极：CH₃OH-6e^-+H₂O===CO₂+6H⁺。

②碱性溶液

正极：O₂+4e^-+2H₂O===4OH^-，

负极：CH₃OH-6e^-+8OH^-===C+6H₂O。

③固体氧化物(其中O^2-可以在固体介质中自由移动)

正极：O₂+4e^-===2O^2-，

负极：CH₃OH-6e^-+3O^2-===CO₂+2H₂O。

④熔融碳酸盐(C)

正极(通入CO₂)：O₂+4e^-+2CO₂===2C

负极：CH₃OH-6e^-+3C===4CO₂+2H₂O。

1.锂电池

锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时金属锂失去电子被氧化为Li^{+，负极反应均为Li-e-}===Li^{+，负极生成的Li+}经过电解质定向移动到正极。

2.锂离子二次电池

(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”原理；在两极形成的电势差的驱动下，Li⁺可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。

(2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为C₆+xLi⁺+xe^-===Li_xC₆；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：Li_xC₆-xe^-===C₆+xLi⁺。

(3)锂离子电池的正极材料一般为含Li⁺的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO₄、LiCoO₂、LiMn₂O₄等。

3.微生物燃料电池

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(如氧气)在正极得到电子被还原。

4.物质转化循环型电池

循环电池是电化学储能领域的一个研究热点，它通过电池内部物质的循环使用来增加储能容量，增长使用寿命。根据物质转化，注意电极反应与电极区反应，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域，阴离子移向负极区域)判断电池的正、负极，是分析该电池的关键。

5浓差电池

浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质具有浓度差，离子均由“高浓度”移向“低浓度”，依据阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域判断电池的正极、负极，这是解答问题的关键。例如

①a极：Ag-e^-===Ag⁺(负极)；b极：Ag⁺+e^-===Ag(正极)。

②N通过交换膜移向a极。

题型01 原电池的工作原理

【典例1】下列关于原电池的叙述错误的是(　　)

A.原电池中的电解质不一定处于液态

B.若欲使原电池处于工作状态，必须使其与外电路形成闭合回路

C.金属活动性顺序中，排在前面的金属总是作负极，排在后面的金属总是作正极

D.负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应

【答案】C

【解析】原电池中的电解质不一定处于液态，也可以是固态或糊状物，A正确；金属活动性顺序中，排在前面的金属不一定总是作负极，排在后面的金属也不一定总是作正极，例如铁、铜和浓硝酸构成的原电池中铁是正极，铜是负极，C错误；原电池中负极总是失去电子，发生氧化反应，正极总是得到电子，发生还原反应，D正确。

【变式1-1】锌铜原电池装置如图所示，下列有关说法不正确的是(　　)

A.Cu电极为该原电池的正极

B.Zn电极是还原剂，又是电子导体

C.氯化钾盐桥中Cl^-将移向CuSO₄溶液

D.一段时间后有红色固体沉积在Cu电极表面

【答案】C

【解析】铜电极为原电池的正极，铜离子在正极得到电子发生还原反应生成铜，故A、D正确；能导电的锌电极为铜锌原电池的负极，故B正确；氯化钾盐桥中氯离子将移向硫酸锌溶液，故C错误。

题型02原电池工作原理的应用

【典例2】下列方法可以加快铁和稀硫酸的反应速率的是(　　)

A.加入少量ZnSO₄固体

B.加入少量水

C.加入少量CuSO₄固体

D.用98%的浓硫酸代替稀硫酸

【答案】C

【解析】加入少量ZnSO₄固体，不会改变反应物的浓度，不会改变反应速率，故A不选；加水，溶液的体积增大，反应物的浓度减小，反应速率减小，故B不选；加入少量CuSO₄固体，会发生反应置换出铜，形成原电池，使反应速率加快，故C选；浓硫酸在常温下使铁钝化，D不选。

【变式2-1】用A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验，下列叙述正确的是(　　)

A.装置甲中的B金属是原电池的负极

B.装置乙中，外电路中电流的流向为B→C

C.装置丙中溶液里的S移向A

D.四种金属的活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C

【答案】D

【解析】装置甲中A不断溶解，则A为负极，B为正极，A错误；装置乙中C的表面有红色固体析出，则C为正极，B为负极，外电路中电流方向：C→B，B错误；装置丙中A上有气泡产生，则A为正极，D为负极，溶液中S向D移动，C错误。

【变式2-2】一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu²⁺===Zn²⁺+Cu，该原电池的正确组成是(　　)

【答案】D

【解析】根据总反应可知Zn为负极，正极为活动性比Zn弱的金属或可导电的非金属，电解质溶液中含Cu²⁺，只有D项符合题意。

题型03一次电池

【典例3】锌锰电池是生活中常用的电池，普通锌锰电池和碱性锌锰电池的结构分别如图所示，下列说法错误的是(　　)

A.锌锰电池属于一次电池，用完不可随意丢弃

B.普通锌锰电池和碱性锌锰电池放电过程中锌均发生氧化反应

C.放电时，普通锌锰电池的石墨电极上反应为2N+2e^-===N₂↑+4H₂↑

D.放电时，碱性锌锰电池正极反应式为MnO₂+H₂O+e^-===MnO(OH)+OH^-

【答案】C

【解析】锌锰电池属于一次电池，含有重金属离子，用完不可随意丢弃，A正确；普通锌锰电池和碱性锌锰电池中锌均为负极，放电过程中锌均发生氧化反应，B正确；放电时，普通锌锰电池的石墨电极上MnO₂得电子，被还原，C错误；放电时，碱性锌锰电池正极反应式为MnO₂+H₂O+e^-===MnO(OH)+OH^-，D正确。

【变式3-1】微型银锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag₂O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电池总反应为Ag₂O+Zn+H₂O===2Ag+Zn(OH)₂。下列说法正确的是(　　)

A.电池工作过程中，负极发生还原反应

B.电池工作过程中，电解液中OH^-向正极移动

C.负极电极反应为Zn+2OH^--2e^-===Zn(OH)₂

D.正极电极反应为Ag₂O+2H⁺+2e^-===2Ag+H₂O

【答案】C

【解析】电池工作过程中，Zn失电子作负极，发生氧化反应，电极反应为Zn+2OH^--2e^-===Zn(OH)₂，A错误、C正确；电池工作过程中，电解液中的OH^-向负极移动，B错误；正极Ag₂O得电子，发生还原反应，电极反应为Ag₂O+H₂O+2e^-===2Ag+2OH^-，D错误。

【变式3-2】我国报道了一种新型Li⁃NO₂电池，为NO₂的治理和利用提供了新的研究思路，其工作原理如图所示，电池放电时的总反应为2Li+NO₂===Li₂O+NO。下列有关该电池工作时的说法不正确的是(　　)

A.外电路电流的方向：b极→电流表→a极

B.b极的电极反应：NO₂+2e^-+2Li⁺===Li₂O+NO

C.电解液中Li⁺向b极附近迁移

D.当外电路通过1 mol e^-时，b极质量增加7 g

【答案】D

【解析】根据电池放电时的总反应2Li+NO₂===Li₂O+NO可知，Li失电子发生氧化反应，a极为负极，b极为正极，电流方向：b极(正极)→电流表→a极(负极)，A正确；b极为正极，正极反应式为NO₂+2e^-+2Li⁺===Li₂O+NO，由2e^-~Li₂O可知，外电路中通过1 mol e^-时，b极生成0.5 mol Li₂O，质量增加0.5 mol×30 g·mol^-1＝15 g，B正确、D错误；原电池工作时，阳离子移向正极，即电解液中Li⁺向b极附近迁移，C正确。

题型04二次电池

【典例4】镍镉电池是一种新型的封闭式体积小的可充电电池，其放电时的工作原理如图所示，下列说法正确的是(　　)

A.放电时，OH^-向b极移动

B.放电时，a极发生还原反应

C.放电时电子的方向：a极经导线流向b极

D.充电时，a极的电极反应为Cd-2e^-+2OH^-===Cd(OH)₂

【答案】C

【解析】由题图分析可知Cd为负极，NiO(OH)为正极。放电时，a极Cd失电子，发生氧化反应，OH^-向a极移动，A、B错误；放电时a极为负极，b极为正极，充电时，a极的电极反应为Cd(OH)₂+2e^-===Cd+2OH^-，D错误。

【变式4-1】钠离子电池比锂离子电池更稳定，造价更低。某钠离子电池结构如图，已知电池反应：Na_1-xMnO₂+Na_xC_n===NaMnO₂+nC。下列说法错误的是(　　)

A.放电时，正极的电极反应式为Na_1-xMnO₂+xNa⁺+xe^-===NaMnO₂

B.放电时，负极的电极反应式为Na_xC_n-xe^-===xNa⁺+nC

C.放电时，外电路中每转移0.2 mol电子，理论上石墨烯电极质量减少4.6 g

D.相同质量的负极材料，钠离子电池比锂离子电池可以提供更多电量

【答案】D

【解析】由图可知，放电时，石墨烯电极为负极，Na_xC_n在负极失去电子发生氧化反应生成钠离子和C，电极反应式为Na_xC_n-xe^-===xNa⁺+nC，Na_1-xMnO₂在正极得到电子发生还原反应生成NaMnO₂，电极反应式为Na_1-xMnO₂+xNa⁺+xe^-===NaMnO₂。

【变式4-2】某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li⁺得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO₂薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是(　　)

A.充电时，集流体A与外接电源的负极相连

B.放电时，外电路通过a mol电子时，LiPON薄膜电解质损失a mol Li⁺

C.放电时，电极B为正极，反应可表示为Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-===LiCoO₂

D.电池总反应可表示为Li_xSi+Li_1-xCoO₂₂

【答案】B

【解析】由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极A作阴极，故充电时集流体A与外接电源的负极相连，A说法正确；放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol Li⁺通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失Li⁺，B说法不正确；放电时，电极B为正极，发生还原反应，电极反应式为Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-===LiCoO₂，C说法正确；电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子转化为Li⁺，正极上Li_1-xCoO₂得到电子和Li⁺转化为LiCoO₂，故电池总反应可表示为Li_xSi+Li_1-xCoO₂₂，D说法正确。

【典例5】欧洲足球锦标赛事中的拍摄车，装着“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池，其工作原理如图所示。下列叙述正确的是(　　)

A.装置中的能量变化为电能转化为化学能

B.通入氢气的电极发生还原反应

C.通入空气的电极反应式：O₂+4e^-+ 4H⁺===2H₂O

D.装置中电子从通入空气的电极经过导线流向通入氢气的电极

【答案】C

【解析】燃料电池是将化学能转化为电能的装置，A错误； 通入H₂的电极作负极，发生氧化反应，电极反应式为H₂-2e^-===2H⁺，B错误；负极氢气失电子生成的H⁺通过质子交换膜流向正极，正极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，C正确；通入氢气的电极失去的电子经过导线流向通入空气的电极，D错误。

【变式5-1】一种用于驱动潜艇的液氨⁃液氧燃料电池原理示意如图所示。下列有关该电池的说法错误的是(　　)

A.电池工作时，电极A的电势高于电极B的电势

B.电子由电极A经外电路流向电极B

C.标准状况下，每消耗22.4 L O₂转移4 mol电子

D.电极A上发生的电极反应为2NH₃-6e^-+6OH^-===N₂+6H₂O

【答案】A

【解析】原电池中，正极电势高于负极电势，故电极B的电势高于电极A，故A错误；电子从负极流向正极，即从电极A流向电极B，故B正确；燃料电池的总反应为4NH₃+3O₂===2N₂+6H₂O，该电池工作时，每消耗标准状况下22.4 L即1 mol O₂转移4 mol电子，故C正确；碱性条件下，氨气在负极失电子生成N₂，其电极反应为2NH₃-6e^-+6OH^-===N₂+6H₂O，故D正确。

【变式5-2】酒驾行为危害社会安全，交警部门常用酸性燃料电池酒精检测仪对此进行检测。该检测仪的工作原理如图所示，下列说法错误的是 (　　)

A.负极的电极反应式为CH₃CH₂OH-4e^-+H₂O===CH₃COOH+4H⁺

B.该电池工作一段时间后，正极区溶液的pH增大

C.若外电路中转移4 mol电子，理论上右侧电极附近溶液增重32 g(假设H₂O不挥发)

D.液晶显示器上数字与电流强弱有关，显示器的数字越大，说明酒精含量越高

【答案】C

【解析】负极的电极反应式为CH₃CH₂OH-4e^-+H₂O===CH₃COOH+4H⁺，A正确；氧气在正极上发生反应O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，正极上消耗氢离子且产生的水对溶液稀释，氢离子浓度减小，一段时间后，正极区溶液的pH增大，故B正确；若外电路中转移4 mol电子，理论上右侧吸收1 mol氧气，内电路移入4 mol H⁺，电极附近溶液增重32 g+4 g＝36 g，故C错误；液晶显示器上数字与电流强弱有关，显示器上的数字越大，说明电流越大，则负极放电的乙醇就越多，说明酒精含量越高，故D正确。

题型06新型电池

【典例6】新型锂-空气电池具有巨大的应用前景。该电池放电时的工作原理如图所示，其中固体电解质只允许Li⁺通过。下列说法正确的是(　　)

A.有机电解液可以用水性电解液代替

B.金属锂为负极，发生还原反应

C.当外电路转移1 mol电子，理论上石墨烯电极消耗标准状况下11.2 L的O₂

D.放电时电池的总反应为4Li+O₂+2H₂O===4LiOH

【答案】D

【解析】A.锂可以与水反应，故有机电解液不可以用水性电解液代替，A项错误；B.金属锂为负极，发生失电子的氧化反应，B项错误；C.当外电路转移1 mol 电子时，消耗0.25 mol的氧气，即理论上石墨烯电极消耗标准状况下5.6 L的O_{2，C项错误；D.该电池的负极反应为4Li-4e}^-===4Li^{+，正极反应为O}₂+4e^-+2H₂O===4OH^{-，将电极反应相加可得总反应的化学方程式4Li+O}₂+2H₂O===4LiOH，D项正确。

【变式6-1】锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解质溶液，并在电池间不断循环。下列有关说法不正确的是(　　)

A.充电时n接电源的负极，Zn²⁺通过阳离子交换膜由左侧流向右侧

B.放电时每转移1 mol电子，负极区溶液质量不变

C.充电时阴极的电极反应式为Zn²⁺+2e^-===Zn

D.若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极也随之改变

【答案】D

【解析】充电时n接电源的负极，作电解池的阴极，Zn²⁺通过阳离子交换膜向阴极定向迁移，故由左侧流向右侧，A正确；放电时，负极Zn溶解生成Zn^2+，Zn2+通过阳离子交换膜向正极定向迁移，故负极区溶液质量不变，B正确；若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会改变，D错误。

【变式6-2】浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是(　　)

A.电池工作时，Li⁺通过离子导体移向X极区

B.电流由Y极通过外电路流向X极

C.正极发生的反应为2H⁺+2e^-===H₂↑

D.Y极每生成1 mol Cl_{2，X极区得到2 mol LiCl}

【答案】B

【解析】加入稀盐酸，X极上生成氢气，H⁺发生还原反应:2H⁺+2e^-===H₂↑，X极为正极，Y极上Cl^-发生氧化反应:2Cl^--2e^-===Cl₂↑，Y极是负极，电池工作时，Li⁺向X极区移动，A、C正确；外电路中电流由正极X流向负极Y，B错误；Y极每生成1 mol Cl_{2，转移2 mol电子，有2 mol Li}⁺向正极移动，则X极区得到2 mol LiCl，D正确。